JP2010117238A - 液位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、被測定液の液面が各検出電極のいずれの位置で交差した場合でも常に確定した出力電圧を出力することができる液位センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の液位センサは、垂直方向に立設した基板２１に、下方から上方にかけて第１の検出電極２２と、第２の検出電極２３と、第３の検出電極２４を順番に設けるとともに、被測定液が有する誘電率の影響を受けることなく電極間の静電容量を測定する第４の検出電極２５を設け、前記第１の検出電極２２で測定される静電容量に関わる時定数が第４の検出電極２５で測定される静電容量に関わる時定数より小さくなった時には、充電を停止し、放電のみを行い、かつ前記第３の検出電極２４で測定される静電容量に関わる時定数が第４の検出電極２５で測定される静電容量に関わる時定数より大きくなった時には、放電を停止し、充電のみを行うようにしたものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、容器内に保管された液体の液位を検出する液位センサに関し、特に自動車、建築機械等のエンジンオイルや燃料の液位を検出する液位センサに関するものである。

自動車、建築機械等のエンジンオイルや燃料の液位を検出する液位センサとしては図７、図８に示すようなものが知られている（特許文献１参照）。図７は従来の液位センサの検出部の正面図を示したもので、この図７において、１は上下に延びる長方形の基板で、この基板１の下端部には櫛歯形状の第１の検出電極２が、略中央部には櫛歯形状の第２の検出電極３が設けられている。そして、前記第１の検出電極２は上下に所定の間隔をおいて配置された複数の線状電極４からなり、これらは基板１の両側縁に沿って上下に延びる引き出し線５，６に交互に接続されている。また、前記第２の検出電極３は左右に所定の間隔をおいて上端部から下端部に延びるように配置された複数の線状電極７からなり、かつこれらの線状電極７は上端がリード線８，９に交互に接続されている。

液位測定時には前記検出部は被測定液中に浸漬されるもので、この時、前記第１の検出電極２は常に被測定液中に浸漬するように配置される。一方、前記第２の検出電極３は被測定液面と交差し、液中に浸漬する部分は液位の昇降に伴って増減することになる。

図８は上記検出部を用いた検出回路図を示したもので、発振回路１０と処理回路１１とよりなる。発振回路１０はインバータ１２，１３，１４と、抵抗１５とを有し、前記インバータ１３，１４間にはそれぞれアナログスイッチ１６，１７を介して前記検出部における第１、第２の検出電極２，３が接続されている。そして、マイクロコンピュータを有する処理回路１１は最初にアナログスイッチ１６を閉じ、前記抵抗１５と、第１の検出電極２の容量で決定される発振周波数から被測定液の誘電率を計算して記憶する。続いて処理回路１１は一方のアナログスイッチ１６に代えて他方のアナログスイッチ１７を閉じ、前記抵抗１５と、第２の検出電極３の容量とで決定される発振周波数と前記被測定液の誘電率とから液位を算出するもので、被測定液の誘電率が変動した場合でも正確な液位を知ることができるものである。

しかしながら、上記した従来の液位センサにおいては、常に被測定液中に浸漬される第１の検出電極２から得られる測定値と予め記憶しておいた標準値とから被測定液の液質を算出するとともに、被測定液面と交差し、液中に浸漬する部分は液位の昇降に伴って増減する第２の検出電極３から得られる測定値と前記第１の検出電極２から得られる測定値とから被測定液の液位を演算するようにしているため、演算装置が複雑で大がかりになってしまうという問題点を有していた。

本発明者らは、上記問題点を解決するために図９、図１０に示すような液位センサを開発した。図９はこの液位センサの検出部の正面図を示したもので、この図９において、１０１は上下に延びる長方形のポリイミドフィルム等からなる検出部で、この検出部１０１の下端部には櫛歯形状のカーボンからなる一対の第１の検出電極１０２を設けている。また、前記検出部１０１の略中央には櫛歯形状のカーボンからなる一対の第２の検出電極１０３を設け、さらに前記検出部１０１の上端部には同じく櫛歯形状のカーボンからなる一対の第３の検出電極１０４を設けている。そして、前記第１、第２、第３の検出電極１０２，１０３，１０４は上下に延びるリード線１０５によって端子１０６，１０７，１０８，１０９に接続されているものである。

図１０は上記液位センサの検出回路図を示したもので、この図１０において、前記検出部１０１の端子１０６は第１の電位１１０に接続する。また、前記検出部１０１の端子１０７，１０８，１０９はそれぞれ抵抗１１１，１１２，１１３を介して第２の電位１１４と接続する。これにより、第１の検出電極１０２、第２の検出電極１０３、第３の検出電極１０４がそれぞれ抵抗１１１，１１２，１１３に接続される。この時、第１、第２、第３の検出電極１０２，１０３，１０４がすべて被測定液外にある状態で第１の検出電極１０２の電極間容量と抵抗１１１で決まる時定数と、第２の検出電極１０３の電極間容量と抵抗１１２で決まる時定数と、第３の検出電極１０４の電極間容量と抵抗１１３で決まる時定数とは実質的に等しくなるようにしているものである。

また、前記抵抗１１１と前記第１の検出電極１０２との中点電位はコンパレータからなる第１の比較手段１１５において、抵抗１１６，１１７からなる閾値発生手段と比較される。これと同様に、前記抵抗１１２と前記第２の検出電極１０３との中点電位および前記抵抗１１３と前記第３の検出電極１０４との中点電位はそれぞれコンパレータからなる第２の比較手段１１８および第３の比較手段１１９において、抵抗１１６，１１７からなる閾値発生手段と比較される。そして、前記第１、第２、第３の比較手段１１５，１１８，１１９の出力信号は論理素子からなる論理回路１２０に入力される。この論理回路１２０の後段には論理回路１２０の出力信号により開閉制御される第１のアナログスイッチ１２１と第２のアナログスイッチ１２２が設けられている。１２３は一端が前記第１のアナログスイッチ１２１と第２のアナログスイッチ１２２との中点に接続され、かつ他端が出力端子１２４に接続された第４の抵抗である。１２５は一端が第１の電位１１０と接続され、かつ他端が前記第４の抵抗１２３と出力端子１２４との間に接続されたコンデンサである。

図１１を用いて、上記液位センサの回路動作を説明する。図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）はこの液位センサの各部の電圧波形を示す。図９で示す液位センサの検出部を図示していないオイルパン中のエンジンオイル等の被測定液に浸漬する。この時、第１の検出電極１０２は常に被測定液中に浸漬され、かつ第３の検出電極１０４は常に被測定液外に配置される。そして、第２の検出電極１０３は被測定液面と交差し、液中に浸漬する部分は液位の昇降に伴って増減するものとする。

上記液位センサは、電源投入前の初期状態（ｔ₀＝０）においては、第１、第２、第３の検出電極１０２，１０３，１０４間に電荷が存在しないため、抵抗１１１と第１の検出電極１０２との中点電位、抵抗１１２と第２の検出電極１０３との中点電位、および抵抗１１３と第３の検出電極１０４との中点電位はすべて第１の電位１１０（Ｖ₁）にある。

そして、電源が投入されると前記抵抗１１３と第３の検出電極１０４との中点電位は図１１（ａ）に示すように第１の電位１１０（Ｖ₁）から第２の電位１１４（Ｖ₂）に向かって、前記抵抗１１３と第３の検出電極１０４の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。また、前記抵抗１１２と第２の検出電極１０３との中点電位は図１１（ｂ）に示すように第１の電位１１０（Ｖ₁）から第２の電位１１４（Ｖ₂）に向かって、前記抵抗１１２と第２の検出電極１０３の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。この時、第２の検出電極１０３の一部は被測定液中にあるため、前記抵抗１１２と第２の検出電極１０３の静電容量とで決まる時定数は、前記抵抗１１３と第３の検出電極１０４とで決まる時定数よりも大きくなる。さらに、前記抵抗１１１と第１の検出電極１０２との中点電位は図１１（ｃ）に示すように第１の電位１１０（Ｖ₁）から第２の電位１１４（Ｖ₂）に向かってそれぞれ前記抵抗１１１と第１の検出電極１０２の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。この時、第１の検出電極１０２は常に被測定液中に浸漬されているため、前記抵抗１１１と第１の検出電極１０２の静電容量とで決まる時定数は、前記抵抗１１２と第２の検出電極１０３とで決まる時定数よりも大きくなる。

前記抵抗１１３と第３の検出電極１０４との中点電位が抵抗１１６，１１７で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第３の比較手段１１９の出力は図１１（ｄ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₁）。これと同様に、前記抵抗１１２と第２の検出電極１０３との中点電位が抵抗１１６，１１７で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第２の比較手段１１８の出力は図１１（ｅ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₂）。また、前記抵抗１１１と前記第１の検出電極１０２との中点電位が抵抗１１６，１１７で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第１の比較手段１１５の出力は図１１（ｆ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₃）とともに、第１、第２、第３の検出電極１０２，１０３，１０４に蓄積された電荷がオープンコレクタ構成である素子１２６を介して第１の電位１１０（Ｖ₁）に放電されるため、前記抵抗１１１と第１の検出電極１０２との中点電位、前記抵抗１１２と第２の検出電極１０３との中点電位、および前記抵抗１１３と第３の検出電極１０４との中点電位はすべて第１の電位１１０（Ｖ₁）に戻り、かつ前記第１、第２、第３の比較手段１１５，１１８，１１９の出力はそれぞれ図１１（ｅ）（ｄ）（ｆ）に示すようにローからハイに遷移する（ｔ₄）。

その後、前記抵抗１１３と第３の検出電極１０４との中点電位、前記抵抗１１２と第２の検出電極１０３との中点電位、前記抵抗１１１と第１の検出電極１０２との中点電位は再び第１の電位１１０（Ｖ₁）から第２の電位１１４（Ｖ₂）に向かってそれぞれ図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）で示すように前記抵抗１１３と第３の検出電極１０４の電極間容量、前記抵抗１１２と第２の検出電極１０３の電極間容量、前記抵抗１１１と第１の検出電極１０２の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇して前と同じ動作を繰り返す（ｔ₅，ｔ₆，ｔ₇）ことになる。

上記第１、第２、第３の比較手段１１５，１１８，１１９の出力信号は論理素子からなる論理回路１２０に入力されて、第１のアナログスイッチ１２１には図１１（ｇ）に示す信号が、また第２のアナログスイッチ１２２には図１１（ｈ）に示す信号が出力される。そして、この場合、第１のアナログスイッチ１２１に入力される信号がハイの時、第１のアナログスイッチ１２１は「閉」、ローの時、「開」となる。また、第２のアナログスイッチ１２２に入力される信号がハイの時、第２のアナログスイッチ１２２は「閉」、ローの時、「開」となる。これにより、図１１の時間ｔ₁〜ｔ₂およびｔ₅〜ｔ₆、すなわち第３の比較手段１１９の出力がローに遷移してから第２の比較手段１１８の出力がローに遷移するまでの期間は、第１のアナログスイッチ１２１が「閉」で第２のアナログスイッチ１２２が「開」となるため、第２の電位１１４から第４の抵抗１２３を通してコンデンサ１２５が充電される。そして、図１１の時間ｔ₂〜ｔ₃およびｔ₆〜ｔ₇、すなわち第２の比較手段１１８の出力がローに遷移してから第１の比較手段１１５の出力がローに遷移するまでの期間は、第１のアナログスイッチ１２１が「開」で第２のアナログスイッチ１２２が「閉」となるため、コンデンサ１２５に蓄積された電荷が第４の抵抗１２３を通して第１の電位１１０（Ｖ₁）に放電される。

また、その他の時間においては、第１のアナログスイッチ１２１、第２のアナログスイッチ１２２がともに「開」となるため、コンデンサ１２５に蓄積された電荷は保存される。このようにして、第２の検出電極１０３が被測定液に浸漬されている部分の長さと被測定外にある部分の長さにより決まる時間だけ第１のアナログスイッチ１２１と第２のアナログスイッチ１２２とを交互に開閉してコンデンサ１２５を充放電することにより、被測定液の液位をアナログ電圧として出力端子１２４に出力することができるものである。

上記した液位センサの構成によれば、被測定液の液位が第２の検出電極１０３間にある場合は、複雑な演算装置を設けることなく高精度で液位を検出することができるものである。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開昭６３−７９０１６号公報

上記した構成の液位センサにおいては、液位が第３の検出電極１０４の上端以上になった場合（満タン時）、または第１の検出電極１０２の下端以下となった場合（空時）に、以下に示すように正常な出力電圧が得られないという問題点を有していた。

以下、この問題点につき説明する。図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）は第２の検出電極１０３が被測定液中に浸漬し、さらに第３の検出電極１０４が被測定液面と交差した時の上記した構成の液位センサにおける各部の電圧波形を示したものである。この時、第２の検出電極１０３は被測定液中に浸漬されているため、図１２（ｂ）（ｃ）に示すように、第２の検出電極１０３と抵抗１１２との中点電位は第１の検出電極１０２と抵抗１１１との中点電位と同じ時定数で指数関数的に上昇する。一方、第３の検出電極１０４は被測定液面と交差しているため、この第３の検出電極１０４の電極間容量は第１、第２の検出電極１０２，１０３よりも小さくなる。これにより、図１２（ａ）に示すように、第３の検出電極１０４と抵抗１１３との中点電位は第２の検出電極１０３と抵抗１１２との中点電位および第１の検出電極１０２と抵抗１１１との中点電位よりも小さな時定数で指数関数的に上昇する。

そして、前記抵抗１１３と第３の検出電極１０４との中点電位が抵抗１１６，１１７で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第３の比較手段１１９の出力は図１２（ｄ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₁）。これと同様に、前記抵抗１１２と第２の検出電極１０３との中点電位が抵抗１１６，１１７で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第２の比較手段１１８の出力は図１２（ｅ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₂）。また、前記抵抗１１１と前記第１の検出電極１０２との中点電位が抵抗１１６，１１７で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第１の比較手段１１５の出力は図１２（ｆ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₂）とともに、第１、第２、第３の検出電極１０２，１０３，１０４に蓄積された電荷がオープンコレクタ構成である素子１２６を介して第１の電位１１０（Ｖ₁）に放電されるため、前記抵抗１１１と第１の検出電極１０２との中点電位、前記抵抗１１２と第２の検出電極１０３との中点電位、および前記抵抗１１３と第３の検出電極１０４との中点電位はすべて第１の電位１１０（Ｖ₁）に戻り、かつ前記第１、第２、第３の比較手段１１５，１１８，１１９の出力はそれぞれ図１２（ｆ）（ｅ）（ｄ）に示すようにローからハイに遷移する（ｔ₃）。

上記第１、第２、第３の比較手段１１５，１１８，１１９の出力信号は論理素子からなる論理回路１２０に入力されて、第１のアナログスイッチ１２１には図１２（ｇ）に示す信号が、また第２のアナログスイッチ１２２には図１２（ｈ）に示す信号が出力される。そして、図１２（ｇ）に示す信号がハイであるｔ₁〜ｔ₂の期間、第２の電位１１４から第４の抵抗１２３を通してコンデンサ１２５が充電される。また、図１２（ｈ）に示す信号は常にローであるため、コンデンサ１２５に充電された電荷が放電されることはなく、その結果、出力端子１２４には第２の電位１１４が出力されることになる。

図１３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）は液位がさらに上昇し、第３の検出電極１０４が被測定液中に浸漬した時の上記した構成の液位センサにおける各部の電圧波形を示したものである。この時、第１の検出電極１０２、第２の検出電極１０３、第３の検出電極１０４はともに被測定液中に浸漬されているため、図１３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、第１の検出電極１０２と抵抗１１１との中点電位、第２の検出電極１０３と抵抗１１２との中点電位、第３の検出電極１０４と抵抗１１３との中点電位は同じ時定数で指数関数的に上昇する。

そして、前記第１の検出電極１０２と抵抗１１１との中点電位、第２の検出電極１０３と抵抗１１２との中点電位、第３の検出電極１０４と抵抗１１３との中点電位が抵抗１１６，１１７で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第１、第２、第３の比較手段１１５，１１８，１１９の出力は図１３（ｆ）（ｅ）（ｄ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₁）とともに、第１、第２、第３の検出電極１０２，１０３，１０４に蓄積された電荷がオープンコレクタ構成である素子１２６を介して第１の電位１１０（Ｖ₁）に放電されるため、前記抵抗１１１と第１の検出電極１０２との中点電位、前記抵抗１１２と第２の検出電極１０３との中点電位、および前記抵抗１１３と第３の検出電極１０４との中点電位はすべて第１の電位１１０（Ｖ₁）に戻り、かつ前記第１、第２、第３の比較手段１１５，１１８，１１９の出力はそれぞれ図１１（ｆ）（ｅ）（ｄ）に示すようにローからハイに遷移する（ｔ₂）。

上記第１、第２、第３の比較手段１１５，１１８，１１９の出力信号は論理素子からなる論理回路１２０に入力されて、第１のアナログスイッチ１２１には図１３（ｇ）に示す信号が、また第２のアナログスイッチ１２２には図１３（ｈ）に示す信号が出力される。この時、図１３（ｇ）（ｈ）に示す信号は常にローであるため、第１、第２のアナログスイッチ１２１，１２２は常に「開」となり、これにより、出力端子１２４は電気的なフロート状態となるため、正常な確定した出力電圧が得られないという問題点があった。

図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）は第２の検出電極１０３が被測定液外にあり、さらに第１の検出電極１０２が被測定液面と交差した時の上記した構成の液位センサにおける各部の電圧波形を示したものである。この時、第２の検出電極１０３は被測定液外にあるため、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、第２の検出電極１０３と抵抗１１２との中点電位は第３の検出電極１０４と抵抗１１３との中点電位と同じ時定数で指数関数的に上昇する。一方、第１の検出電極１０２は被測定液面と交差しているため、第１の検出電極１０２の電極間容量は第２、第３の検出電極１０３，１０４よりも大きくなることにより、図１４（ｃ）に示すように、第１の検出電極１０２と抵抗１１１との中点電位は第２の検出電極１０３と抵抗１１２との中点電位および第３の検出電極１０４と抵抗１１３との中点電位よりも大きな時定数で指数関数的に上昇する。

そして、前記第２の検出電極１０３と抵抗１１２との中点電位、第３の検出電極１０４と抵抗１１３との中点電位が抵抗１１６，１１７で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第２、第３の比較手段１１８，１１９の出力は図１４（ｅ）（ｄ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₁）。また、前記第１の検出電極１０２と抵抗１１１との中点電位が抵抗１１６，１１７で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第１の比較手段１１５の出力は図１４（ｆ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₂）とともに、第１、第２、第３の検出電極１０２，１０３，１０４に蓄積された電荷がオープンコレクタ構成である素子１２６を介して第１の電位１１０（Ｖ₁）に放電されるため、前記抵抗１１１と第１の検出電極１０２との中点電位、前記抵抗１１２と第２の検出電極１０３との中点電位、および前記抵抗１１３と第３の検出電極１０４との中点電位はすべて第１の電位１１０（Ｖ₁）に戻り、かつ前記第１、第２、第３の比較手段１１５，１１８，１１９の出力はそれぞれ図１４（ｆ）（ｅ）（ｄ）に示すようにローからハイに遷移する（ｔ₃）。

上記第１、第２、第３の比較手段１１５，１１８，１１９の出力信号は論理素子からなる論理回路１２０に入力されて、第１のアナログスイッチ１２１には図１４（ｇ）に示す信号が、また第２のアナログスイッチ１２２には図１４（ｈ）に示す信号が出力される。そして、図１４（ｈ）に示す信号がハイであるｔ₁〜ｔ₂の期間、第２のアナログスイッチ１２２は「閉」となって、出力端子１２４は第１の電位１１０に固定される。また、図１４（ｇ）に示す信号は常にローであるため、第１のアナログスイッチ１２１は常に「開」であって、コンデンサ１２５に電荷が充電されることはない。

図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）は液位がさらに低下し、第１の検出電極１０２も被測定液外にある時の上記した構成の液位センサにおける各部の電圧波形を示したものである。この時、第１の検出電極１０２、第２の検出電極１０３、第３の検出電極１０４はともに被測定液外にあるため、図１５（ｃ）（ｂ）（ａ）に示すように、第１の検出電極１０２と抵抗１１１との中点電位、第２の検出電極１０３と抵抗１１２との中点電位、第３の検出電極１０４と抵抗１１３との中点電位は同じ時定数で指数関数的に上昇する。

そして、前記第１の検出電極１０２と抵抗１１１との中点電位、第２の検出電極１０３と抵抗１１２との中点電位、第３の検出電極１０４と抵抗１１３との中点電位が抵抗１１６，１１７で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第１、第２、第３の比較手段１１５，１１８，１１９の出力は図１５（ｆ）（ｅ）（ｄ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₁）とともに、第１、第２、第３の検出電極１０２，１０３，１０４に蓄積された電荷がオープンコレクタ構成である素子１２６を介して第１の電位１１０（Ｖ₁）に放電されるため、前記抵抗１１１と第１の検出電極１０２との中点電位、前記抵抗１１２と第２の検出電極１０３との中点電位、および前記抵抗１１３と第３の検出電極１０４との中点電位はすべて第１の電位１１０（Ｖ₁）に戻り、かつ前記第１、第２、第３の比較手段１１５，１１８，１１９の出力はそれぞれ図１５（ｆ）（ｅ）（ｄ）に示すようにローからハイに遷移する（ｔ₂）。

上記第１、第２、第３の比較手段１１５，１１８，１１９の出力信号は論理素子からなる論理回路１２０に入力されて、第１のアナログスイッチ１２１には図１５（ｇ）に示す信号が、また第２のアナログスイッチ１２２には図１５（ｈ）に示す信号が出力される。この時、図１５（ｇ）（ｈ）に示す信号は常にローであるため、第１、第２のアナログスイッチ１２１，１２２は常に「開」となり、これにより、出力端子１２４は電気的なフロート状態となるため、正常な確定した出力電圧が得られないという問題点があった。

本発明は上記した構成の液位センサにおける問題点を解決するもので、被測定液の液面が各検出電極のいずれの位置で交差した場合でも常に確定した出力電圧を出力することができる液位センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、垂直方向に立設した基板に、下方から上方にかけて第１の検出電極と、第２の検出電極と、第３の検出電極を順番に設けるとともに、前記第２の検出電極が被測定液中に浸漬されている部分の長さに比例する時間だけ充電し、かつ前記第２の検出電極が被測定液外にある部分の長さに比例した時間だけ前記充電された電荷を放電するという動作を繰り返す回路を備え、さらに前記第１、第２、第３の検出電極とは別個に、被測定液が有する誘電率の影響を受けることなく電極間の静電容量を測定する第４の検出電極を設け、前記第１の検出電極で測定される静電容量に関わる時定数が第４の検出電極で測定される静電容量に関わる時定数より小さくなった時には、充電を停止し、放電のみを行い、かつ前記第３の検出電極で測定される静電容量に関わる時定数が第４の検出電極で測定される静電容量に関わる時定数より大きくなった時には、放電を停止し、充填のみを行うようにしたもので、この構成によれば、被測定液の液位を常に確定したアナログ電圧として出力表示することができ、これにより、容易に高感度の液位センサを提供することができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の液位センサにおける第４の検出電極を、対向する電極全体を絶縁物を介して金属層で覆ったもので構成したもので、この構成によれば、被測定液の液位に無関係な一定の静電容量を簡単な構成で得ることができ、これにより、容易に高感度の液位センサを提供することができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、第１の抵抗と第１の検出電極とを含む第１の時定数回路と、第２の抵抗と第２の検出電極とを含む第２の時定数回路と、第３の抵抗と第３の検出電極とを含む第３の時定数回路と、第４の抵抗と第４の検出電極とを含む第４の時定数回路と、前記第１の時定数回路の出力電位が入力されるとともにその出力電位を閾値と比較する第１の比較手段と、前記第２の時定数回路の出力電位が入力されるとともにその出力電位を閾値と比較する第２の比較手段と、前記第３の時定数回路の出力電位が入力されるとともにその出力電位を閾値と比較する第３の比較手段と、前記第４の時定数回路の出力電位が入力されるとともにその出力電位を閾値と比較する第４の比較手段と、前記第１の比較手段と第２の比較手段と第３の比較手段の出力信号が入力される第１の論理回路と、前記第１の比較手段と第３の比較手段と第４の比較手段の出力信号が入力される第２の論理回路と、前記第１の論理回路と第２の論理回路の出力信号が入力される第３の論理回路と、この第３の論理回路の出力信号により開閉制御される第１のアナログスイッチおよび第２のアナログスイッチと、一端が前記第１のアナログスイッチと第２のアナログスイッチの中点に接続され、かつ他端が出力端子に接続された第５の抵抗と、一端が第１の電位と接続され、かつ他端が前記第５の抵抗と出力端子との間に接続されたコンデンサとを備え、前記第１のアナログスイッチが「閉」で、第２のアナログスイッチが「開」のとき、前記コンデンサを充電し、かつ前記第１のアナログスイッチが「開」で、第２のアナログスイッチが「閉」のとき、前記コンデンサの電荷を放電することにより被測定液の液位に比例する電圧を出力するとともに、前記第１の検出電極で測定される静電容量と第１の抵抗とで決まる時定数が第４の検出電極で測定される静電容量と第４の抵抗とで決まる時定数より小さくなった時には、充電を停止し、放電のみを行い、かつ前記第３の検出電極で測定される静電容量と第３の抵抗とで決まる時定数が第４の検出電極で測定される静電容量と第４の抵抗とで決まる時定数より大きくなった時には、放電を停止し、充電のみを行うようにしたもので、この構成によれば、被測定液の液位を常に確定したアナログ電圧として出力表示することができ、これにより、容易に高感度の液位センサを提供することができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の液位センサは、垂直方向に立設した基板に、下方から上方にかけて第１の検出電極と、第２の検出電極と、第３の検出電極を順番に設けるとともに、前記第２の検出電極が被測定液中に浸漬されている部分の長さに比例する時間だけ充電し、かつ前記第２の検出電極が被測定液外にある部分の長さに比例した時間だけ前記充電された電荷を放電するという動作を繰り返す回路を備え、さらに前記第１、第２、第３の検出電極とは別個に、被測定液が有する誘電率の影響を受けることなく電極間の静電容量を測定する第４の検出電極を設け、前記第１の検出電極で測定される静電容量に関わる時定数が第４の検出電極で測定される静電容量に関わる時定数より小さくなった時には、充電を停止し、放電のみを行い、かつ前記第３の検出電極で測定される静電容量に関わる時定数が第４の検出電極で測定される静電容量に関わる時定数より大きくなった時には、放電を停止し、充填のみを行うようにしているため、被測定液の液位を常に確定したアナログ電圧として出力表示することができ、これにより、容易に高感度の液位センサを提供することができるという優れた効果を奏するものである。

以下、本発明の一実施の形態における液位センサについて、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における液位センサの検出部の正面図を示したもので、この図１において、２１は上下に延びる長方形のポリイミドフィルム等からなる基板で、この基板２１の下部には櫛歯形状のカーボンからなる一対の第１の検出電極２２を設けている。また、前記第１の検出電極２２の上には櫛歯形状のカーボンからなる一対の第２の検出電極２３を設け、そしてこの第２の検出電極２３の上には同じく櫛歯形状のカーボンからなる一対の第３の検出電極２４を設け、さらに前記基板２１の下端部には同じく櫛歯形状のカーボンからなる一対の第４の検出電極２５を設けている。そして、前記第１、第２、第３、第４の検出電極２２，２３，２４，２５は上下に延びる引き出し線によって端子２６，２７，２８，２９，３０に接続されているものである。

図２は図１における第４の検出電極２５のＡ−Ａ線での断面図を示したもので、この図２に示すように、第４の検出電極２５は対向する電極３１の全体を絶縁物３２を介して金属層３３で覆ったもので構成したものである。このような構成とすることにより、対向する電極３１間に発生する電気力線は被測定液内を通過しないため、第１の検出電極２２で測定される電極３１間の静電容量は被測定液の液位や被測定液が有する誘電率の影響を受けることがなくなる。

図３は本発明の一実施の形態における液位センサの検出回路図を示したもので、この図３において、基板２１の端子２６は例えばＧＮＤ電位からなる第１の電位３４に接続する。また、前記基板２１の端子２７，２８，２９，３０はそれぞれ第１の抵抗３５、第２の抵抗３６、第３の抵抗３７、第４の抵抗３８を介して例えば５Ｖの電源電位からなる第２の電位３９と接続する。これにより、第１の検出電極２２、第２の検出電極２３、第３の検出電極２４、第４の検出電極２５がそれぞれ第１の抵抗３５、第２の抵抗３６、第３の抵抗３７、第４の抵抗３８に接続される。

この時、第１、第２、第３の検出電極２２，２３，２４がすべて被測定液外にある状態で第１の検出電極２２の電極間容量と第１の抵抗３５とで決まる時定数と、第２の検出電極２３の電極間容量と第２の抵抗３６とで決まる時定数と、第３の検出電極２４の電極間容量と第３の抵抗３７とで決まる時定数とは実質的に等しくなるようにしているものである。そして、第４の検出電極２５の電極間容量と第４の抵抗３８とで決まる時定数は、第１の検出電極２２が被測定液中に浸漬された状態で第１の検出電極２２の電極間容量と第１の抵抗３５とで決まる時定数よりも小さく、かつ第３の検出電極２４が被測定液外にある状態で第３の検出電極２４の電極間容量と第３の抵抗３７とで決まる時定数よりも大きくなるように設定している。

また、前記第１の抵抗３５と前記第１の検出電極２２との中点電位はコンパレータからなる第１の比較手段４０において、抵抗４１，４２からなる閾値発生手段と比較される。これと同様に、前記第２の抵抗３６と前記第２の検出電極２３との中点電位、前記第３の抵抗３７と前記第３の検出電極２４との中点電位および前記第４の抵抗３８と前記第４の検出電極２５との中点電位はそれぞれコンパレータからなる第２の比較手段４３、第３の比較手段４４および第４の比較手段４５において、抵抗４１，４２からなる閾値発生手段と比較される。

そして、前記第１、第２、第３の比較手段４０，４３，４４の出力信号は論理素子からなる第１の論理回路４６に入力される。さらに前記第１、第３、第４の比較手段４０，４４，４５の出力信号は論理素子とＤフリップフロップとからなる第２の論理回路４７に入力される。さらにまた前記第１の論理回路４６と第２の論理回路４７との出力信号は論理素子からなる第３の論理回路４８に入力される。

また、前記第３の論理回路４８の後段には第３の論理回路４８の出力信号により開閉制御される第１のアナログスイッチ４９と第２のアナログスイッチ５０が設けられている。５１は一端が前記第１のアナログスイッチ４９と第２のアナログスイッチ５０との中点に接続され、かつ他端が出力端子５２に接続された第５の抵抗である。５３は一端が第１の電位３４と接続され、かつ他端が前記第５の抵抗５１と出力端子５２との間に接続されたコンデンサである。

次に、本発明の一実施の形態における液位センサの回路動作を図４を用いて説明する。

図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）（ｉ）（ｊ）はこの液位センサの各部の電圧波形を示したもので、図１で示した液位センサの基板２１を図示していないオイルパン中のエンジンオイル等の被測定液に浸漬する。この時、第１の検出電極２２と第４の検出電極２５は常に被測定液中に浸漬され、第３の検出電極２４は常に被測定液外に配置され、かつ第２の検出電極２３は被測定液面と交差し、かつ液中に浸漬する部分は液位の昇降に伴って増減するものとする。

本発明の一実施の形態における液位センサは、電源投入前の初期状態（ｔ₀＝０）においては、前記第１、第２、第３、第４の検出電極２２，２３，２４，２５の電極対間に電荷が存在しないため、第１の抵抗３５と第１の検出電極２２との中点電位、第２の抵抗３６と第２の検出電極２３との中点電位、第３の抵抗３７と第３の検出電極２４との中点電位および第４の抵抗３８と第４の検出電極２５との中点電位はすべて第１の電位３４にある。

そして、電源が投入されると前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４との中点電位は第１の電位３４から第２の電位３９に向かって、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。また、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３との中点電位は第１の電位３４から第２の電位３９に向かって、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。この時、第２の検出電極２３の一部は被測定液中にあるため、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３の静電容量とで決まる時定数は、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４とで決まる時定数よりも大きくなる。また、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２との中点電位は第１の電位３４から第２の電位３９に向かって前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。この時、第１の検出電極２２は常に被測定液中に浸漬されているため、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２の静電容量とで決まる時定数は、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３とで決まる時定数よりも大きくなる。さらに、前記第４の抵抗３８と第４の検出電極２５との中点電位は前と同様に第１の電位３４から第２の電位３９に向かって前記第４の抵抗３８と第４の検出電極２５の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。この時、前記の通り、第４の検出電極２５の電極間容量と第４の抵抗３８とで決まる時定数は、第１の検出電極２２が被測定液中に浸漬された状態で第１の検出電極２２の電極間容量と第１の抵抗３５とで決まる時定数よりも小さく、かつ第３の検出電極２４が被測定液外にある状態で第３の検出電極２４の電極間容量と第３の抵抗３７とで決まる時定数よりも大きくなるように設定している。

その後、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４との中点電位が抵抗４１，４２で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第３の比較手段４４の出力は図４（ａ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₁）。これと同様に、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３との中点電位が抵抗４１，４２で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第２の比較手段４３の出力は図４（ｂ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₃）。また、前記第４の抵抗３８と第４の検出電極２５との中点電位が抵抗４１，４２で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第４の比較手段４５の出力は図４（ｄ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₂）。さらに、前記第１の抵抗３５と前記第１の検出電極２２との中点電位が抵抗４１，４２で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第１の比較手段４０の出力は図４（ｃ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₄）とともに、第１、第２、第３、第４の検出電極２２，２３，２４，２５に蓄積された電荷がオープンコレクタ構成である素子５４を介して第１の電位３４に放電されるため、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２との中点電位、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３との中点電位、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４との中点電位および前記第４の抵抗３８と第４の検出電極２５との中点電位はすべて第１の電位３４に戻り、かつ前記第１、第２、第３、第４の比較手段４０，４３，４４，４５の出力はそれぞれ図４（ｃ）（ｂ）（ａ）（ｄ）に示すようにローからハイに遷移する（ｔ₅）。

さらにその後、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４との中点電位、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３との中点電位、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２との中点電位、前記第４の抵抗３８と第４の検出電極２５との中点電位は再び第１の電位３４から第２の電位３９に向かってそれぞれ前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４の電極間容量、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３の電極間容量、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２、前記第４の抵抗３８と第４の検出電極２５の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。

以後、第３の比較手段４４の出力がハイからローに遷移し（ｔ₆）、第２の比較手段４３の出力がハイからローに遷移し（ｔ₈）、第４の比較手段４５の出力がハイからローに遷移し（ｔ₇）、第１の比較手段４０の出力がハイからローに遷移して（ｔ₉）、前と同様の動作を繰り返す。

上記第１、第２、第３の比較手段４０，４３，４４の出力信号は論理素子からなる第１の論理回路４６に入力され、そして、第１の論理回路４６における第１のＮＯＲ素子５５の出力には図４（ｅ）に示す信号が、また第２のＮＯＲ素子５６の出力には図４（ｆ）に示す信号が出力される。

また、これと同様に、上記第１、第３、第４の比較手段４０，４４，４５の出力信号は論理素子とＤフリップフロップとからなる第２の論理回路４７に入力され、そして、第２の論理回路４７における第１のＤフリップフロップ５７の

出力には図４（ｇ）に示すように常時ハイの信号が、また第２のフリップフロップ５８のＱ出力には図４（ｈ）に示すように常時ハイの信号が出力される。

そして、前記第１の論理回路４６からの出力信号と第２の論理回路４７からの出力信号は第３の論理回路４８に入力され、第１のアナログスイッチ４９には図４（ｉ）に示す信号が、また第２のアナログスイッチ５０には図４（ｊ）に示す信号が出力される。

そして、この場合、第１のアナログスイッチ４９に入力される信号がハイの時、第１のアナログスイッチ４９は「閉」、ローの時、「開」となる。また、第２のアナログスイッチ５０に入力される信号がハイの時、第２のアナログスイッチ５０は「閉」、ローの時、「開」となる。これにより、図４の時間ｔ₁〜ｔ₃およびｔ₆〜ｔ₈、すなわち第３の比較手段４４の出力がローに遷移してから第２の比較手段４３の出力がローに遷移するまでの期間は、第１のアナログスイッチ４９が「閉」で第２のアナログスイッチ５０が「開」となるため、第２の電位３９から第５の抵抗５１を通してコンデンサ５３が充電される。そして、図４の時間ｔ₃〜ｔ₄およびｔ₈〜ｔ₉、すなわち第２の比較手段４３の出力がローに遷移してから第１の比較手段４０の出力がローに遷移するまでの期間は、第１のアナログスイッチ４９が「開」で第２のアナログスイッチ５０が「閉」となるため、コンデンサ５３に蓄積された電荷が第５の抵抗５１を通して第１の電位３４に放電される。

また、その他の時間においては、第１のアナログスイッチ４９、第２のアナログスイッチ５０がともに「開」となるため、コンデンサ５３に蓄積された電荷は保存される。このようにして、第２の検出電極２２が被測定液に浸漬されている部分の長さと被測定外にある部分の長さにより決まる時間だけ第１のアナログスイッチ４９と第２のアナログスイッチ５０とを交互に開閉してコンデンサ５３を充放電することにより、被測定液の液位をアナログ電圧として出力端子５２に出力することができる。

図５（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）（ｉ）（ｊ）は被測定液の液位が第２の検出電極２３の上端を越え、そして第３の検出電極２４の略中央まで上昇した時の液位センサ各部の電圧波形を示したものである。

本発明の一実施の形態における液位センサは、電源投入前の初期状態（ｔ₀＝０）においては、前記第１、第２、第３、第４の検出電極２２，２３，２４，２５の電極対間に電荷が存在しないため、第１の抵抗３５と第１の検出電極２２との中点電位、第２の抵抗３６と第２の検出電極２３との中点電位、第３の抵抗３７と第３の検出電極２４との中点電位、および第４の抵抗３８と第４の検出電極２５との中点電位はすべて第１の電位３４にある。

電源が投入されると、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４との中点電位は第１の電位３４から第２の電位３９に向かって、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。また、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３との中点電位は第１の電位３４から第２の電位３９に向かって、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。そしてまた、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２との中点電位は第１の電位３４から第２の電位３９に向かって、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。この時、第３の検出電極２４はその一部のみが被測定液中にあるが、第２の検出電極２３と第１の検出電極２２は被測定液中に浸漬されているため、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４の静電容量とで決まる時定数は、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３とで決まる時定数、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２とで決まる時定数よりも小さくなる。

その後、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４との中点電位が抵抗４１，４２で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第３の比較手段４４の出力は図５（ａ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₂）。これと同様に、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３との中点電位が抵抗４１，４２で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第２の比較手段４３の出力は図５（ｂ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₃）。また、前記第４の抵抗３８と第４の検出電極２５との中点電位が抵抗４１，４２で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第４の比較手段４５の出力は図５（ｄ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₁）。さらに、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２との中点電位が抵抗４１，４２で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第１の比較手段４０の出力は図５（ｃ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₃）とともに、第１、第２、第３、第４の検出電極２２，２３，２４，２５に蓄積された電荷がオープンコレクタ構成である素子５４を介して第１の電位３４に放電されるため、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２との中点電位、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３との中点電位、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４との中点電位および前記第４の抵抗３８と第４の検出電極２５との中点電位はすべて第１の電位３４に戻り、かつ前記第１、第２、第３、第４の比較手段４０，４３，４４，４５の出力はそれぞれ図５（ｃ）（ｂ）（ａ）（ｄ）に示すようにローからハイに遷移して（ｔ₄）以後、同じ動作を繰り返す（ｔ₅〜ｔ₉）。

上記第１、第２、第３の比較手段４０，４３，４４の出力信号は論理素子からなる第１の論理回路４６に入力され、そして、第１の論理回路４６における第１のＮＯＲ素子５５の出力には図５（ｅ）に示す信号が、また第２のＮＯＲ素子５６の出力には図５（ｆ）に示す信号が出力される。そしてまた、上記第１、第３、第４の比較手段４０，４４，４５の出力信号は論理素子とＤフリップフロップとからなる第２の論理回路４７に入力される。さらに、前記第１の論理回路４６と第２の論理回路４７との出力は論理素子からなる第３の論理回路４８に入力される。

この時、第３の比較手段４４の出力がハイからローに遷移する時刻ｔ₂が第４の比較手段４５の出力がハイからローに遷移する時刻ｔ₁よりも前、すなわち第３の検出電極２４が被測定液中に浸漬している部分の長さが短い場合には、第２の論理回路４７における第１のＤフリップフロップ５７の

出力と第２のフリップフロップ５８のＱ出力とは図４（ｇ）（ｈ）と同様に常時ハイとなる。これにより、第１のアナログスイッチ４９には図５（ｅ）の信号が、第２のアナログスイッチ５０には図５（ｆ）の信号がそのまま加えられることにより、ｔ₂〜ｔ₃、ｔ₆〜ｔ₇の時間だけ第１のアナログスイッチ４９が「閉」となり、これにより、第２の電位３９から第５の抵抗５１を通してコンデンサ５３が充電される。また、第２のアナログスイッチ５０は常に「開」であるため、コンデンサ５３に充電された電荷が放電されることはなく、これにより、出力端子５２の出力電位は第２の電位３９に等しくなる。

一方、図５（ａ）（ｇ）に示すように第３の比較手段４４の出力がハイからローに遷移する時刻ｔ₂が第４の比較手段４５の出力がハイからローに遷移する時刻ｔ₁よりも後、すなわち第３の検出電極２４が被測定液中に浸漬している部分の長さが長くなり第３の検出電極２４で測定される静電容量が大きくなることにより、第３の検出電極２４で測定される静電容量と第３の抵抗３７とで決まる時定数が第４の検出電極２５で測定される静電容量と第４の抵抗３８とで決まる時定数よりも大きくなると、図５（ｇ）（ｈ）に示すように第２の論理回路４７における第２のフリップフロップ５８のＱ出力はハイを保持するが、第１のＤフリップフロップ５７の

出力はｔ₂にてハイからローに遷移する。これにより、第３の論理回路４８から第１のアナログスイッチ４９に加えられる信号は図５（ｉ）に示すようにｔ₂以降ハイとなるため、第１のアナログスイッチ４９が「閉」となり第２の電位３９から第５の抵抗５１を通してコンデンサ５３が充電される。また、第３の論理回路４８から第２のアナログスイッチ５０に加えられる信号は図５（ｊ）に示すようにローを保持するため、第２のアナログスイッチ５０は常に「開」となり、これにより、コンデンサ５３に充電された電荷が放電されることはないため、出力端子５２の出力電位は第２の電位３９に等しくなる。

図６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）（ｉ）（ｊ）は被測定液の液位が第２の検出電極２３の下端を越え、そして第１の検出電極２２の略中央まで低下した時の液位センサ各部の電圧波形を示したものである。

本発明の一実施の形態における液位センサは、電源投入前の初期状態（ｔ₀＝０）においては、前記第１、第２、第３、第４の検出電極２２，２３，２４，２５の電極対間に電荷が存在しないため、第１の抵抗３５と第１の検出電極２２との中点電位、第２の抵抗３６と第２の検出電極２３との中点電位、第３の抵抗３７と第３の検出電極２４との中点電位および第４の抵抗３８と第４の検出電極２５との中点電位はすべて第１の電位３４にある。

電源が投入されると、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４との中点電位は第１の電位３４から第２の電位３９に向かって、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。また、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３との中点電位は第１の電位３４から第２の電位３９に向かって、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。そしてまた、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２との中点電位は第１の電位３４から第２の電位３９に向かって、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２の電極間容量とで決まる時定数で指数関数的に上昇する。この時、第１の検出電極２２はその一部のみが被測定液中にあるが、第２の検出電極２３と第３の検出電極２４は被測定液外にあるため、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２の静電容量とで決まる時定数は、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３とで決まる時定数、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４とで決まる時定数よりも大きくなる。

その後、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４との中点電位が抵抗４１，４２で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第３の比較手段４４の出力は図６（ａ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₁）。これと同様に、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３との中点電位が抵抗４１，４２で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第２の比較手段４３の出力は図６（ｂ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₁）。また、前記第４の抵抗３８と第４の検出電極２５との中点電位が抵抗４１，４２で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第４の比較手段４５の出力は図６（ｄ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₃）。さらに、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２との中点電位が抵抗４１，４２で決められる閾値電圧Ｖ_thに達すると、コンパレータからなる第１の比較手段４０の出力は図６（ｃ）に示すようにハイからローに遷移する（ｔ₂）とともに、第１、第２、第３、第４の検出電極２２，２３，２４，２５に蓄積された電荷がオープンコレクタ構成である素子５４を介して第１の電位３４に放電されるため、前記第１の抵抗３５と第１の検出電極２２との中点電位、前記第２の抵抗３６と第２の検出電極２３との中点電位、前記第３の抵抗３７と第３の検出電極２４との中点電位および前記第４の抵抗３８と第４の検出電極２５との中点電位はすべて第１の電位３４に戻り、かつ前記第１、第２、第３、第４の比較手段４０，４３，４４，４５の出力はそれぞれ図６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すようにローからハイに遷移して（ｔ₄）以後、同じ動作を繰り返す（ｔ₅〜ｔ₉）。

上記第１、第２、第３の比較手段４０，４３，４４の出力信号は論理素子からなる第１の論理回路４６に入力され、そして、第１の論理回路４６における第１のＮＯＲ素子５５の出力には図６（ｅ）に示す信号が、また第２のＮＯＲ素子５６の出力には図６（ｆ）に示す信号が出力される。そしてまた、上記第１、第３、第４の比較手段４０，４４，４５の出力信号は論理素子とＤフリップフロップとからなる第２の論理回路４７に入力される。さらに、前記第１の論理回路４６と第２の論理回路４７との出力は論理素子からなる第３の論理回路４８に入力される。

この時、第１の比較手段４０の出力がハイからローに遷移する時刻ｔ₂が第４の比較手段４５の出力がハイからローに遷移する時刻ｔ₃よりも前、すなわち第３の検出電極２４が被測定液中に浸漬している部分の長さが長い場合には、第２の論理回路４７における第１のＤフリップフロップ５７の

出力と第２のフリップフロップ５８のＱ出力とは図４の（ｇ），（ｈ）と同様に常時ハイとなる。これにより、第１のアナログスイッチ４９には図５（ｅ）の信号が、第２のアナログスイッチ５０には図５（ｆ）の信号がそのまま加えられることにより、ｔ₁〜ｔ₂、ｔ₅〜ｔ₆の時間だけ第２のアナログスイッチ５０が「閉」となり、抵抗５１とコンデンサ５３が第１の電位３４に接続される。また、第１のアナログスイッチ４９は常に「開」であるため、コンデンサ５３に電荷が充電されることはなく、これにより、出力端子５２の電位は第１の電位３４に等しくなる。

一方、図６（ｃ）（ｄ）に示すように第１の比較手段４０の出力がハイからローに遷移する時刻ｔ₂が第４の比較手段４５の出力がハイからローに遷移する時刻ｔ₃よりも前、すなわち被測定液の液位が下がって第１の検出電極２２が被測定液中に浸漬している部分の長さが短くなり第１の検出電極２２で測定される静電容量が小さくなることにより、第１の検出電極２２で測定される静電容量と第１の抵抗３５とで決まる時定数が第４の検出電極２５で測定される静電容量と第４の抵抗３８とで決まる時定数よりも小さくなると、図６（ｇ）（ｈ）に示すように第２の論理回路４７における第１のＤフリップフロップ５７の

出力はハイを保持するが、第２のフリップフロップ５８のＱ出力はｔ₂にてハイからローに遷移する。これにより、第３の論理回路４８から第２のアナログスイッチ５０に加えられる信号は図６（ｊ）に示すようにｔ₂以降ハイとなるため、第２のアナログスイッチ５０は「閉」となり、抵抗５１とコンデンサ５３が第１の電位３４に接続される。また、第３の論理回路４８から第１のアナログスイッチ４９に加えられる信号は図６（ｉ）に示すようにローを保持するため、常に「開」となり、これにより、前記コンデンサ５３が充電されることはないため、出力端子５２の出力電位は第１の電位３４に等しくなる。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施の形態における液位センサは被測定液の液面が第２の検出電極２３と交差する時には複雑な演算装置を設けることなく、常に被測定液の液位に比例する電圧を出力することができ、また、被測定液の液面が第１の検出電極２２、第３の検出電極２４のいずれの位置で交差した場合でも常に確定した電圧を出力することができるもので、これにより、容易に高感度の液位センサを提供することができるものである。

なお、上記本発明の一実施の形態における液位センサにおいては、第４の検出電極２５を第１の検出電極２２の下に配置したものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、第４の検出電極２５を第１の検出電極２２の横あるいは背面等任意の位置に配置した場合でも、本発明の一実施の形態と同様の作用効果が得られるものである。

本発明に係る液位センサは、複雑な演算装置を設けることなく、液位に比例する電圧を出力することができるとともに、被測定液の液面が各検出電極のいずれの位置で交差した場合でも常に確定した電圧を出力することができ、これにより、容易に高感度のセンサを提供することができるという効果を有するものであり、特に、自動車、建築機械等のエンジンオイルや燃料の液位を検出する液位センサとして有用なものである。

本発明の一実施の形態における液位センサの検出部の正面図 同液位センサの第１の検出電極の断面図 同液位センサの検出回路図 （ａ）〜（ｊ）被測定液の液面が第２の検出電極と交差する時の同液位センサの回路動作を説明するための波形図 （ａ）〜（ｊ）被測定液の液面が第３の検出電極と交差する時の同液位センサの回路動作を説明するための波形図 （ａ）〜（ｊ）被測定液の液面が第１の検出電極と交差する時の同液位センサの回路動作を説明するための波形図 従来の液位センサの検出部の正面図 従来の液位センサの検出回路図 従来の他の液位センサの検出部の正面図 従来の他の液位センサの検出回路図 （ａ）〜（ｈ）被測定液の液面が第２の検出電極と交差する時の同液位センサの回路動作を説明するための波形図 （ａ）〜（ｈ）被測定液の液面が第３の検出電極と交差する時の同液位センサの回路動作を説明するための波形図 （ａ）〜（ｈ）被測定液の液面が第３の検出電極の上端に達した時の同液位センサの回路動作を説明するための波形図 （ａ）〜（ｈ）被測定液の液面が第１の検出電極と交差する時の同液位センサの回路動作を説明するための波形図 （ａ）〜（ｈ）被測定液の液面が第１の検出電極の下端に達した時の同液位センサの回路動作を説明するための波形図

符号の説明

２１ 基板
２２ 第１の検出電極
２３ 第２の検出電極
２４ 第３の検出電極
２５ 第４の検出電極
３１ 電極
３２ 絶縁物
３３ 金属層
３４ 第１の電位
３５ 第１の抵抗
３６ 第２の抵抗
３７ 第３の抵抗
３８ 第４の抵抗
３９ 第２の電位
４０ 第１の比較手段
４３ 第２の比較手段
４４ 第３の比較手段
４５ 第４の比較手段
４６ 第１の論理回路
４７ 第２の論理回路
４８ 第３の論理回路
４９ 第１のアナログスイッチ
５０ 第２のアナログスイッチ
５１ 第５の抵抗
５２ 出力端子
５３ コンデンサ

Claims (3)

1. 垂直方向に立設した基板に、下方から上方にかけて第１の検出電極と、第２の検出電極と、第３の検出電極を順番に設けるとともに、前記第２の検出電極が被測定液中に浸漬されている部分の長さに比例する時間だけ充電し、かつ前記第２の検出電極が被測定液外にある部分の長さに比例した時間だけ前記充電された電荷を放電するという動作を繰り返す回路を備え、さらに前記第１、第２、第３の検出電極とは別個に、被測定液が有する誘電率の影響を受けることなく電極間の静電容量を測定する第４の検出電極を設け、前記第１の検出電極で測定される静電容量に関わる時定数が第４の検出電極で測定される静電容量に関わる時定数より小さくなった時には、充電を停止し、放電のみを行い、かつ前記第３の検出電極で測定される静電容量に関わる時定数が第４の検出電極で測定される静電容量に関わる時定数より大きくなった時には、放電を停止し、充填のみを行うようにした液位センサ。
2. 第４の検出電極を、対向する電極全体を絶縁物を介して金属層で覆ったもので構成した請求項１記載の液位センサ。
3. 第１の抵抗と第１の検出電極とを含む第１の時定数回路と、第２の抵抗と第２の検出電極とを含む第２の時定数回路と、第３の抵抗と第３の検出電極とを含む第３の時定数回路と、第４の抵抗と第４の検出電極とを含む第４の時定数回路と、前記第１の時定数回路の出力電位が入力されるとともにその出力電位を閾値と比較する第１の比較手段と、前記第２の時定数回路の出力電位が入力されるとともにその出力電位を閾値と比較する第２の比較手段と、前記第３の時定数回路の出力電位が入力されるとともにその出力電位を閾値と比較する第３の比較手段と、前記第４の時定数回路の出力電位が入力されるとともにその出力電位を閾値と比較する第４の比較手段と、前記第１の比較手段と第２の比較手段と第３の比較手段の出力信号が入力される第１の論理回路と、前記第１の比較手段と第３の比較手段と第４の比較手段の出力信号が入力される第２の論理回路と、前記第１の論理回路と第２の論理回路の出力信号が入力される第３の論理回路と、この第３の論理回路の出力信号により開閉制御される第１のアナログスイッチおよび第２のアナログスイッチと、一端が前記第１のアナログスイッチと第２のアナログスイッチの中点に接続され、かつ他端が出力端子に接続された第５の抵抗と、一端が第１の電位と接続され、かつ他端が前記第５の抵抗と出力端子との間に接続されたコンデンサとを備え、前記第１のアナログスイッチが「閉」で、第２のアナログスイッチが「開」のとき、前記コンデンサを充電し、かつ前記第１のアナログスイッチが「開」で、第２のアナログスイッチが「閉」のとき、前記コンデンサの電荷を放電することにより被測定液の液位に比例する電圧を出力するとともに、前記第１の検出電極で測定される静電容量と第１の抵抗とで決まる時定数が第４の検出電極で測定される静電容量と第４の抵抗とで決まる時定数より小さくなった時には、充電を停止し、放電のみを行い、かつ前記第３の検出電極で測定される静電容量と第３の抵抗とで決まる時定数が第４の検出電極で測定される静電容量と第４の抵抗とで決まる時定数より大きくなった時には、放電を停止し、充電のみを行うようにした液位センサ。

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